У дисертаційній роботі розглянуто такі питання: динаміка електронів з аномально великою енергією в плазмових системах на основі пастки Пеннінга; формування потоків електронів з плазмового джерела на основі електрично-несиметричного відбивного розряду з порожнистим катодом при використанні робочих газів з різними масовими числами та невисоких напруг, що витягують електрони; генерація негативних іонів в плазмовому джерелі на основі однощілинного гострокутного електромагнітного уловлювача та плазмового джерела електронів з порожнистим катодом. Проведені дослідження дозволяють сформулювати такі висновки: 1. Визначено вплив різних геометричних та зовнішніх параметрів пеннінгівського розряду на його розрядні характеристики при перебудові розряду в режим з ежекцією електронних пучків в аксіальному напрямку. Встановлено, що при використанні більш легкого робочого газу водню, при зменшенні діаметра розрядних електродів, зміні геометрії відбивного катода з циліндричної на плоску, а також при негативному зсуві потенціалу одного із катодів, діапазони зовнішніх параметрів розряду, за яких спостерігається ежекція електронних пучків, поширюються в область більш високих робочих тисків і анодних напруг. 2. Визначено взаємозв’язок між потенціалом плазми в пеннінгівському розряді в області ежекції електронних пучків та виходом "аномальних" електронів з розряду. Встановлено, що при використанні більш легкого робочого газу водню та при негативному зсуві потенціалу одного із катодів спостерігається зниження потенціалу плазми в цій області та збільшення щільності струму електронного пучка, що ежектується в протилежному від
катода напрямку. З’ясовано, що при збільшенні глибини аксіальної потенціальної ями в області ежекції пучка, електрони з аномально великою енергією запираються в розряді. Внаслідок цього щільність плазми в цій області перевищує її величину на осі системи. 3. Встановлено закономірності еволюції в аксіальному напрямку поздовжніх енергетичних спектрів електронного пучка, що ежектується з пеннінгівського розряду. Виявлено і пояснено існування в енергетичних спектрах електронного пучка груп електронів з різною енергією. Показано, що набір "аномальними" електронами додаткової енергії відбувається в аксіальному напрямку від центру розряда та досягає максимальних значень в області відбивних катодів. 4. Запропоновано та експериментально вивчено ефективний спосіб керування струмом електронного пучка, який ежектується з плазми пеннінгівського розряду, шляхом зміни потенціалу між катодами. Показано, що при збільшенні негативного потенціалу одного з відбивних катодів відбувається зростання струму електронного пучка, що ежектується з протилежної від цього катода сторони розряду. Збільшення струму відбувається внаслідок збільшення емісії електронів з плазми розряду на радіусі їх викиду, а також відбиття "аномальних" електронів від катоду, на який подається негативний потенціал. 5. Визначені емісійні характеристики фізичної моделі плазмового джерела електронів пеннінгівського типу. Показано наявність оптимальних зовнішніх параметрів, за яких струм електронного пучка досягає максимальних значень. У джерелі отримані такі характеристики: максимальний струм електронного пучка I = 25 мА, щільність струму в пучку J = 30 - 40 мА/см2, струмова ефективність джерела a = 50 %, енергетична ефективність джерела Н = 0,5 мА/Вт. 6. Показано можливість розширення робочих параметрів плазмового джерела електронів на основі електрично-несиметричного відбивного розряду з порожнистим катодом за рахунок використання робочого газу суміші аргону і водню в діапазоні тиску робочого газу Р = 10–4 – 10–2 Тор при напрузі U < 600 В, що витягує електрони. Встановлено, що у порівнянні з використанням однокомпонентних газів, застосування суміші аргону та водню дає змогу знизити розрядну напругу та мінімальний струм, що ініціює режим порожнистого катода, а також істотно розширити діапазон робочого тиску за якого можна ініціювати режим порожнистого катода та витягати з джерела електрони без електричного пробою прискорювальних проміжків. 7. Визначено особливості розрядних і емісійних характеристик плазмового джерела електронів на основі електрично-несиметричного відбивного розряду з порожнистим катодом при використанні робочих газів з різними масовими числами та їх суміші. Встановлено, що найбільше зростання струму електронного пучка, що витягується з джерела, а також струмової й енергетичної ефективності джерела даного типу відбувається при негативному зсуві потенціалу порожнистого катода у випадку використання суміші аргону та водню. Визначено режими джерела зі струмовою ефективністю a = 70 – 100 %. На основі проведених оцінок показано, що електронний струм, що витягується з джерела в цьому режимі, обумовлено потоком електронів з катодної порожнини через перетин емісійного отвору у відбивному катоді. У плазмовому джерелі даного типу в діапазоні тисків робочого газу (суміш аргону і водню) Р = 10–4 – 10–2 Тор та при напрузі U = 100 – 600 В, що витягує електрони, отримано такі характеристики: максимальний струм електронного пучка I = 0,5 А, густина струму пучка J = 5 А/см2, струмова ефективність джерела a = 70 %, енергетична ефективність джерела Н = 1 - 3 мА/Вт. 8. Визначено параметри плазми й емісійні характеристики фізичної моделі плазмового джерела негативних іонів на основі однощілинного гострокутного електромагнітного уловлювача та плазмового джерела електронів з порожнистим катодом. Показано, що в об‘ємі електромагнітного уловлювача за рахунок інжекції електронного пучка з плазмового джерела електронів можна створювати плазму з параметрами, необхідними для утворення негативних іонів. Визначено оптимальні тиски робочих газів. Показано, що вихід негативних іонів зростає при підвищенні потужності електронного пучка, який інжектується в електромагнітний уловлювач, а також при здійсненні електростатичного запирання магнітної щілини уловлювача. В джерелі отримано струм негативних іонів водню I = 300 мкА з густиною струму J = 0,7 мА/см2. Струмова ефективність джерела складала a = 0,1 %, енергетична ефективність – Н = (1 – 2)10–3 мА/Вт. |
